Application Manual Power Semiconductors - Deutsche ... - Semikron

4 Applikationshinweise für Thyristoren und Netzdioden
4.2.3 Kühlkörper
Bei Halbleiterbauelementen höherer Leistung (über etwa 15 A) reichen Kühlbleche nicht mehr
aus, um die Strombelastbarkeit voll auszunutzen. Hier benutzt man Kühlkörper oder Kühlprofile
aus Aluminium (selten auch Kupfer) mit stark gerippten Oberflächen (Bild 4.2.5), die eine Flächenvergrößerung
für Konvektion und Strahlung, eine Spreizung des Wärmeflusses sowie eine
Dämpfung transienter thermischer Vorgänge bewirken.
Bild 4.2.5 Beispiele für Kühlkörper und stranggepresste Kühlprofile für diskrete Leistungshalbleiter, Module
und Scheibenzellen.
Solche Kühlkörper sind sowohl für natürliche Konvektion (die Verlustwärme wird durch den natürlichen
Luftzug, also das Aufsteigen der erwärmten Luft infolge der Schwerkraft abgeführt) als
auch für verstärkte (forcierte) Luftkühlung (die Kühlluft wird durch einen Lüfter bewegt) geeignet,
oder sind für eine dieser Kühlungsarten optimiert. Die Wärmespreizung hat großen Einfluss auf
die thermische Effizienz des Kühlkörpers. Somit ist die Optimierung der Wurzeldicke und ein ausgewogenes
Verhältnis von Rippenanzahl, Rippenhöhe und Rippendicke bedeutsam:
--
Die Wurzel eines Kühlkörpers ist der unverrippte Bereich der Montagefläche für die Leistungsbauelemente,
in dem die Wärmespreizung erfolgt.
--
Über die Rippen eines Luftkühlkörpers erfolgt durch Strahlung und Konvektion die wesentliche
Wärmeabgabe an die Umgebung.
Für Konvektion ist eine möglichst starke „Verrippung“ zur Flächenvergrößerung sinnvoll, sofern
die Strömungsverhältnisse so gestaltet werden können, dass die Strömungsgeschwindigkeit und
damit die Wärmeübergangszahl a nicht übermäßig absinkt. Parallele Flächen von Rippen behindern
dagegen die Wärmestrahlung, diese Flächen sind praktisch unwirksam, deshalb sind Kühlkörper
für vorwiegend Wärmestrahlung mit sternförmigen oder strahlenförmigen Rippenanordnungen
versehen.
Der thermische Widerstand eines Kühlkörpers ist keine feste Größe. Bei Luftselbstkühlung hängt
er von der Temperaturdifferenz Kühlkörper - Luft und damit von der abgeführten Leistung ab. Mit
Verlustleistungserhöhung wird der Kühlkörper besser durchwärmt, d.h. die wirksamen Wärmeaustauschflächen
vergrößern sich (Bild 4.2.6). Will man aus Platzgründen mehrere Kühlkörper übereinander
anordnen, so ist zu beachten, dass bei Luftselbstkühlung die oberen Reihen wärmere Luft
zugeführt bekommen als die unteren (vgl. Kap. 5.3.7 Thermische Reihenschaltung). Bei forcierter
Luftkühlung erwärmt sich die Luft beim Durchströmen eines Kühlkörpers weniger stark, so dass
231